煤矿水害防治Chpt-6.ppt

6.华北煤田陷落柱的成因及导水性判别 6.1 陷落柱的成因： 陷落柱是1937年德国人在井陉煤矿误作“环形断层”首先提出的，后因其无序的内部结构，而被称为“矸子窝”、“无炭柱”、“塌陷柱”。1944年日本技术人员将其定名为“陷落柱”。 华北型煤田中的陷落柱因其广泛性和危害性已经受到水文地质界的关注，很多科技人员都开展了陷落柱发育规律和形成机理的研究。发育规律的研究者 [1,2] 认为陷落柱主要沿着向斜轴或断层带分布，形成机理的研究者认为“膏溶[3]”和“下蚀[4] ”作用是陷落柱的主要成因。 其中广泛流行的膏溶说认为赋存于马家沟组中的石膏层在燕山运动中发生塑性变形；当处于潜水面以上时，石膏矿物被部分或全部容是掉，形成空洞，溶洞跨落后形成了陷落柱。下蚀观点认为，位于潜水面附近的石灰岩岩溶作用最强，易形成溶洞，随着潜水面的下降，侵蚀作用下降，使溶洞加深，溶洞跨落后形成陷落柱。 评价…… 众所周知，陷落柱是大型溶洞塌陷而成，但大型溶洞的形成—强水循环—外循环，内循环… 在成因的研究中，很少人研究过陷落柱的形成与热对流的关系，笔者通过近 20 年的现场考察和水文地质条件分析，认为陷落柱的形成除与地下水的补给、径流和排泄，即地下水的外循环有关外,还和地热对流散热，即地下水的内循环有关。这种认识很好地解释了华北煤田地热异常和煤高变质矿区陷落柱密集发育的原因。 6.2陷落柱成因的超临界水岩溶实验研究 超临界水对岩石的溶解的作用尚未被人们所认识，过去在解释华北型煤矿区岩溶发育程度和陷落柱发育规律历来没有考虑过高温地下水的作用。然而由于华北聚煤区中新生带发生大规模的地幔上涌[1]和岩石圈达85km的减薄[2-4]，在地壳的沉积盖层产生了大量的裂隙，形成了地下水的储存空间和循环通道，而且巨大的热量，造成了大区域的煤变质，和石灰岩发生了强烈的溶解，进而在煤田内部形成了大量的陷落柱。因此研究超临界水对石灰岩的溶蚀作用，对研究陷落柱的成因、分布和导水性具有很大的意义。 水的超临界现象由法国科学家Baron Charles Cagniard de la Tour 1822年首次提出，后来爱尔兰化学家托马斯·安德鲁斯(Thomas Andrews,1869)首次发现了临界点[5]。以后关于超临界流体的研究主要集中在流体性质及其溶解平衡方面，直到上世纪80年代，超临界流体在萃取、材料合成方面才得到了广泛应用[6-9]，特别是在有机物和高分子材料方面的应用已经有了深入研究，在地质方面的应用研究也逐渐开展，例如超临界水对岩石弹模[10]和电阻率[11]的影响，在地质构造演化中的作用[12,14]，对油气[13]、金属矿床形成[15,16]，火山地震活动中的作用[17,18]方面已经做了深入的理论探讨。 实验研究证明，超临界水使有机物的溶解度和溶解速度剧增，但对无机物的溶解度和溶解速度不但没有增强作用，反而有抑制作用[18]。然而实验实验研究证明，超临界水使有机物的溶解度和溶解速度剧增，但对无机物的溶解度和溶解速度不但没有增强作用，反而有抑制作用[18]。然而实验用的水为纯净水，含有杂质的水对无机物溶解的研究则罕见报道。 近几年对金属腐蚀作用的实验在我国已经有人率先开展[19]，但对岩石溶解方面尚未见实验报道。目前的实验研究仅仅是常态水对石灰岩的溶解作用，因此超临界水在地质学上的应用尚有很大的研究空间。本项目试图通过实验研究超临界水对石灰岩作用，以研究华北聚煤区陷落柱的成因和分布规律，并给出地下深部岩溶形成新的解释，因此此项研究具有一定的理论意义和实用价值。 6.2. 1实验内容和实验方法 实验内容 (1)超临界水对石灰岩的溶解； (2)近临界水对石灰岩的溶解； (3)常温状态下水对石灰岩的溶解。 实验方法 实验使用的材料是纯净水，直径为0.05-0.125 mm的方解石，纯度为99.99%的CO2. 实验在自制的超临界水反应釜内进行。 超临界水的实验状态：387～389℃，26～28MPa。近临界水的实验条件是：301～303℃，28MPa。常温水的实验条件是：18℃，2MPa。各实验在加温前都在常温条件下加入2MPa的纯CO2。各实验条件如表1所示。 实验结果及讨论 试验结果如表1所示。表中所列的实验除了温度和时间外，其它条件基本相同，目的是研究常温水、近临界水和超临界水对石灰岩的溶解度和溶解速度。6个超临界水实验中CaCO3的溶解度在0.0145～0.0236g/L之间，进入超临界水状态的时间在0.1～60.1min。溶解度与时间的关系如图1所示。可见在超临界状态下水对CaCO3的溶解度与时间无关。 近临界水的2个实验分别为103min和150min，得到的溶解度分别为0.0072g/L和0.0076g/L。可见在近临界水的条件下，时间对